基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

带控制的超声速二维后台阶流动显示

在Mach数3.4的来流条件下,对二维后台阶流动精细结构开展了实验研究.实验分为后台阶上游无控制加粗糙带扰动及微涡流发生器（micro-vortex generator,MVG）扰动3种状态,采用基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer based planar laser scattering,NPLS）方法获得了流向和展向切面内的高时空分辨率流动显示图像,并测量了模型表面静压分布.对大量NPLS图像取平均,研究了流场结构的时间平均规律,对比不同时刻的瞬态流场精细结构图像,发现不同状态下的湍流大尺度结构的特征时间.有粗糙带状态相对无粗糙带台阶下游回流区压力更低,而下游压力较高,台阶上游区别不大;受MVG控制后台阶下游附近区域压力突增;MVG对流动的控制改变能力较强,粗糙带能调整台阶上下游附近流动平稳过渡,流场壁面压力没有突变.      

基于NPLS的超声速后台阶流场精细结构及其非定常特性

在马赫数3.4的低噪声超声速风洞中,分别采用纹影技术及基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS),对台阶高度为3 mm的层流后台阶绕流结构进行了流动显示实验,旨在研究后台阶流场再附区的平均流动规律及再附边界层的瞬态流场精细结构,并通过比较不同时刻的NPLS数据,发现后台阶再附边界层涡结构的非定常演化特性;并且与马赫数4.2条件下的纹影结果和前期研究成果进行了比较.结果表明,两种流动显示方法均可以捕捉激波膨胀波的位置,但NPLS技术在揭示流场某一截面内的瞬态精细结构方面更具优势,其时间分辨率可达6 ns,空间分辨率微米量级;该流场条件下的回流剪切层的倾角为-3.1?,再附边界层的平均增长斜率为0.07519;再附边界层中发卡涡脱落的特征时间尺度为大约10μs.相同膨胀比条件下,再附随着马赫数增大而推迟;膨胀比越大,再附越提前,并且流动折转角变大.     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验

研究发展了超高频基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering,NPLS）技术。基于多腔并联脉冲激光器技术、棱锥分光与短曝光相机集成技术以及高精度同步控制技术,实现了MHz级流场可视化和精细测量。采用超高频NPLS技术研究了对流Mach数Ma_c=0.17,0.26混合层流场,获得了时间序列的混合层高分辨率NPLS图像。采用阵列型涡流发生器开展流动控制研究,分析涡流发生器对混合层发展的影响特性。通过选取典型涡结构,分析了超声速混合层不同发展阶段的涡运动和发展演化规律。发现混合层中段的不稳定性发展阶段,涡结构以平移和旋转为主,伴随一定的拉伸;混合层后段以变形和破碎为主,有大量小尺度结构产生。并且小尺度结构会受到剪切、大尺度结构以及小激波的影响,发生明显的非定常运动。      

基于Ramp-VG阵列的超声速混合层流动控制实验研究

利用基于纳米示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术研究了Ramp-VG阵列对超声速混合层流场的控制效果.对流Mach数Mac=0.17.通过比较无控和控制状态下的混合层NPLS图像,发现控制状态下混合层流动速度提高了5％～15％,K-H不稳...     

可压缩喷流的温度混合层及近场压力POD分析

本文采用大涡模拟计算马赫数Ma=0.75、温度比Tj/T∞=0.7、1和2的圆口喷流,着重研究了温度混合层与速度混合层发展规律的差异.同时采用近场压力的本征正交分解,研究温度对相干结构产生的影响,突出当喷流温度高于和低于环境温度时的声源的变化趋势.流场结果表明,温度混合层的增长速率高于速度混合层,且两种剪切层半值宽随温度比改变而呈现不同的变化趋势.声场结果显示非等温喷流的远声场均高于等温喷流,是由于压力脉动中声传播分量增强.随着温度比升高,相干结构不稳定性开始发生位置向上游移动,导致速度脉动水平的提前增长.湍流结构相干性的增强,使得速度脉动峰值水平升高.     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

Visualisation on supersonic flow over backward-facing step with or without roughness

At Mach number 3.4, visualisation experiments of flow over backward-facing step (BFS) with or without roughness band attached on upstream wall are carried out via traditional schlieren and newly developed nano-tracer-based planar laser scattering (NPLS). The time-averaged flow characteristic of the reattachment region and the instantaneous rich structures of the redeveloping boundary layer in the steamwise-normal plane are both revealed. Additionally, top views in the different planes (y/h = 0.67, 1.00, 1.33, 1.67, 2.00) are imaged with a resolution of 0.064 mm/pixel. By contrasting the NPLS images at different times, the unsteady evolution characteristic of the coherent vortices in the redeveloping boundary layer was discussed. Static wall pressure is measured by a micro-pressure scanning system. The incipient formation positions are pointed out statistically. Without roughness, the longitudinal structures with scales of 1.0h and 1.2h form later and distribute in a longer region compared to that with roughness. Fractal analysis is applied and the averaged fractal dimensions of the overall and sectional flow structures are calculated. If roughness is adopted, the fractal dimension will be larger and the turning point in the sectional fractal dimensions is earlier. However, the dimension tends to be one coincided value in the farther downstream.     

基于流动显示的压缩拐角流动结构定量研究

在Ma = 3.0的超声速风洞中, 采用NPLS技术对上游边界层为层流的25° 压缩拐角进行了流动显示实验, 获得了压缩拐角的精细流动结构, 边界层、剪切层和激波等结构清晰可见. 基于流动显示数据, 采用间歇性、空间相关性和分形分析对流动结构进行了定量研究, 计算了边界层和分离区的间歇因子分布, 获取了边界层中拟序结构和结构角的大小, 给出了边界层分形维数的分布, 并与Ringuette和Bookey等的实验结果进行比较, 阐述了压缩拐角流动结构的定量特征.     

Instantaneous and time-averaged flow structures around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling visualized via nano-tracer planar laser scattering

In a Mach 3.8 wind tunnel, both instantaneous and time-averaged flow structures of different scales around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling were visualized via nano-tracer planar laser scattering (NPLS), which has a high spatiotemporal resolution. Three experimental cases with different injection mass flux rates were carried out. Many typical flow structures were clearly shown, such as shock waves, expansion fans, shear layers, mixing layers, and turbulent boundary layers. The analysis of two NPLS images with an interval of 5 μs revealed the temporal evolution characteristics of flow structures. With matched pressures, the laminar length of the mixing layer was longer than that in the case with a larger mass flux rate, but the full covered region was shorter. Structures like K-H (Kelvin-Helmholtz) vortices were clearly seen in both flows. Without injection, the flow was similar to the supersonic flow over a backward-facing step, and the structures were relatively simpler, and there was a longer laminar region. Large scale structures such as hairpin vortices were visualized. In addition, the results were compared in part with the schlieren images captured by others under similar conditions.     

高超声速圆锥边界层转捩实验研究

在高超声速静音风洞内, 通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS)技术、高频压力传感器和温敏漆(temperature sensitive paints, TSP)技术开展了0°攻角条件下7°直圆锥高超声速边界层转捩相关实验研究, 得到了圆锥边界层由层流发展至湍流完整过程的NPLS图像, 清晰地展示了第2模态波的"绳状"结构, 尖锥与钝锥边界层的NPLS结果表明尖锥边界层转捩中第2模态波占主导, 而钝锥边界层在转捩前出现波长约为第2模态波波长5倍(甚至更长)、特征频率不高于31 kHz的狭长涡结构; 采用功率谱密度(power spectrum density, PSD)分析、互相关和N值计算对高频脉动压力数据进行分析, 得到了边界层内扰动波的发展规律, 在尖锥和钝锥中均观察到了沿流向第2模态波幅值先增大后减小、特征频率逐渐降低, 低频成分逐渐增加, 表明边界层发展过程中第2模态率先发展达到饱和, 而后逐渐衰减, 而低频模态则逐渐发展; 通过TSP技术得到了不同单位Reynolds数下的圆锥表面温升分布, 结果表明, 随单位Reynolds数增大, 边界层转捩阵面前移.      

A flow control study of a supersonic mixing layer via NPLS

The flow control of a supersonic mixing layer was studied in a supersonic mixing layer wind tunnel with convective Mach number (Mc) at 0.5. The passive control of the mixing layer was achieved by perturbation tapes on the trailing edge of the splitter plate. The control effects of 2D and 3D perturbation tapes with different sizes were compared. The mixing layer was visualized via NPLS, and the transient fine structures were identifiable in NPLS images, which were used to analyze the effects of flow control. The results show that the 2D tapes can enhance the 2D characteristic of the mixing layer, delaying mixing layer transition; and the 3D tapes can enhance the 3D characteristic of the mixing layer, advancing mixing layer transition. 3D structures of the mixing layer were visualized, and the H-type Λ vortexes were found with 3D tapes control.